固態硬盤在市場上越來越受到青睐，由於它的高速讀取和高速接口以及3D閃存單元將建立新的數據存儲架構。未來固態硬盤的容量將達到數TB，每秒可以傳輸數GB的數據，未來將逐漸取代機械硬盤。下面，系統之家將為大家提前介紹這些技術。
固態硬盤加載操作系統和應用程序的速度是機械硬盤的2~3倍，因而，現如今沒有固態硬盤的電腦已經有點不合時宜。不過，實際上固態硬盤只有在服務器中作為大容量存儲設備時才能夠完全發揮其性能，在個人電腦的SATA接口上，根據標准的不同，SATA連接提供的速度只能達到每秒300MB（SATA 2.0也稱為3G接口）或每秒600MB（SATA 3.0也稱為6G接口），完全沒有機會讓固態硬盤發揮其全部性能。事實上，目前固態硬盤所使用的2.5英寸硬盤外殼，完全是為了讓機械硬盤能夠在筆記本電腦上使用而開發的，它們被調整為最適合機械硬盤讀寫磁頭在轉動的金屬盤上讀取數據，而固態硬盤可以制作得很小，一個存儲芯片實際上就像CPU一樣地小，固態硬盤中可以安裝多個存儲芯片，並通過控制芯片讓存儲芯片以並行的方式讀取或寫入，速度可以比SATA接口的速度快很多。
很快我們將在電腦主板和筆記本電腦上看到新的接口，新接口能夠支持更快的數據傳輸速度，每秒可以傳輸數GB的數據，將能夠完全發揮閃存技術的潛力。其次，固態硬盤的數據密度將大幅度增加，閃存存儲介質的價格將明顯下降，我們能以低廉的價格獲得500GB的固態硬盤。而且，得益於新的閃存單元模式，未來我們將能夠獲得更實惠的TB級固態硬盤。
高速接口
新一代固態硬盤已經蓄勢待發，它們將比目前市場上所有的固態硬盤都要快。它們將采用一個新接口：SATA Express（Serial ATA Express，簡稱SATAe），該接口將通過PCI-E轉發SATA的數據。到目前為止，只有顯示卡是通過PCI-E傳輸數據的。連接PCI-E的SATAe接口可以接入兩個SATA插頭，SATA接口的傳輸速率最快可以達到600MB/s，而老一代PCI-E 2.0每通道傳輸速率可以達到400MB/s，新一代PCI-E 3.0每通道傳輸速率可以高達1GB/s，由於SATAe接口的固態硬盤通過PCI-E傳輸數據時至少使用兩個通道，也就是說SATAe的傳輸速率將在800MB/s到2GB/s之間。
但SATAe升級的並不只是一個接口，而是一個全新的接口標准。出於兼容性的考慮，SATAe將繼續支持高級主機控制器接口（Advanced Host Controller Interface，簡稱AHCI）標准。AHCI標准是2004年在英特爾的領導下，由多家公司聯合研發的接口標准，該標准的響應時間較慢。而這個早應該被替換的標准即將被一個新的接口標准所取代：非易失性存儲主機控制器接口（Non-Volatile Memory Host Controller Interface，簡稱NVMHCI）標准是一個專門針對SATAe高性能固態硬盤而制定的接口標准，NVMHCI的指令集以等同於CPU內核的數量並行傳輸數據，CPU可以直接處理所有的存儲和讀取指令，不需要排隊。此外，NVMHCI無需經過中間存儲而直接在CPU和固態硬盤控制器之間傳送命令，響應時間更低。
閃存硬件優化
以上這些僅僅是理論還是真正可行的呢？事實上，通過PCI-E傳輸數據的固態硬盤在服務器上已經使用了很長時間，這些固態硬盤可以實現遠高於4GB/s的傳輸速率。但是由於缺少驅動程序，所以類似的設備無法安裝到個人用戶的電腦上使用，唯一例外的是RevoDrive（通過固態硬盤組成磁盤陣列並通過PCI-E適配卡連接）這樣的解決方案。而M.2固態硬盤則是為筆記本電腦設計並面向個人用戶的過渡產品，目前，M.2固態硬盤仍然在使用SATA接口，但是新的SATAe接口將允許M.2通過PCI-E連接。浦科特M6E和三星XP941是可以連接PCI-E的M.2固態硬盤，它們可以搭配與SATAe標准兼容的英特爾新版本的9系列芯片組主板使用。
遺憾的是，H97和Z97這些芯片組的主板最多只允許使用兩個PCI-E 2.0通道，這將把固態硬盤的傳輸速率限制在800MB/s。對於像浦科特M6E這樣的固態硬盤來說問題不大，因為這種固態硬盤插口上的兩個缺口（俗稱B Key）表明，它在傳輸時只使用兩個通道。但是對於三星XP941這種插口上只有一個缺口（俗稱M Key）可以使用4個通道的固態硬盤來說，受主板的制約將無法達到最快速度。
對於三星XP941這樣高速的固態硬盤，將需要一個使用PCI-E插槽的固態硬盤適配卡或者華擎的Z97 Extreme6主板，目前只有這塊主板可以為M.2提供4通道的PCI-E連接。未來PCI-E 3.0的接口將能夠讓SATAe固態硬盤更充分地發揮其性能，目前的控制芯片只能支持PCI-E 2.0，不過，SandForce 3700即將推出，該控制芯片除了支持AHCI之外，還能夠支持NVMHCI。接下來，東芝的PCI-E 3.0控制器OCZ Jetstream Express將在明年上市，同時英特爾也計劃推出支持PCI-E 3.0的芯片組。
用3D閃存的大容量固態硬盤
容量高達4TB的機械硬盤價格仍然相當經濟實惠，但是價格相差無幾的固態硬盤卻頂多只有250GB到500GB的容量。不過，這只是目前的情況，預計未來幾年，閃存單元的大小和設計將發展到一個新的階段，固態硬盤將能夠完全扭轉這一局面。目前，固態硬盤所采用的閃存單元就如同CPU的晶體管一樣，唯一不同的是，閃存單元可以在浮柵永久存儲電荷。目前，制造商已經成功地將閃存單元的制作工藝提升到20nm，並正迅速向另一個更小的制程邁進。每一次技術的提升，意味著費用和生產成本的下降，因此，制造商們樂此不疲，並計劃切換到另一種閃存單元類型：3D閃存。
固態硬盤的容量是影響價格的另一個問題，目前最大的固態硬盤SanDisk Optimus Max容量高達4TB，但基本上只有企業用戶才會花幾萬元購買。對於個人用戶使用的固態硬盤來說這種閃存技術是不現實的，三星和東芝目前正在走另外的一條路。他們通過可以在浮柵存儲8個不同電荷水平的TLC閃存單元，實現每個閃存單元存儲3位數據（8個不同電荷分別代表000到111之間的二進制值）的目的，通過存儲密度的增加提升固態硬盤的容量。但是這種閃存單元只能夠支持1 000次的寫入或刪除操作。通常情況下，個人用戶使用的固態硬盤采用的MLC閃存單元每單元可以記錄2位的數據，能夠承受10 000次寫入或刪除操作。而采用TLC單元的服務器固態硬盤PM853T，三星給出的驅動器每日寫入量（Device Writes Per Day，簡稱DWPD，指示固態硬盤每天可以寫入的數據量）為全盤寫入0.3~1.6次的情況下可以保證5年的壽命。很明顯，PM853T只適用於那些很少刷新的數據，與之相比，其他普通的服務器固態硬盤，DWPD通常都在10~30之間。
2D閃存的局限性
如果既要實現高性價比，同時又要保持大容量和高品質，唯一的辦法是縮小閃存單元的尺寸。但是如果閃存單元的尺寸進一步壓縮，那麼尺寸小於20nm的情況下閃存單元可能會出現問題。首先，要解決生產環節中193nm波長激光刻錄的限制問題，解決這一種問題的超紫外曝光工具對於閃存單元的生產來說仍然過於昂貴。而且，生產企業還面臨著物理上的限制，在單元殼體的尺寸小於20nm時，某些部件將僅有幾個原子層的厚度，不可能再繼續縮小。
另外，控制柵和浮柵之間的多晶硅間介質層（IPD）也可能會出現問題。控制柵通過施加電壓排出或者填充浮柵的電荷，而浮柵必須保持其電荷，所以它的周圍都由IPD包裹，防止電荷通過控制柵極逃逸。IPD層不能夠太薄，當IPD的厚度小於10nm時，浮柵的電荷會隨著時間的推移而下降。
目前，制造商已經將閃存單元的工藝提升到了16nm~19nm，原來由硅制成的控制柵極已經被金屬和硅氧化物所取代，而IPD已經被換成了高介電值材料，例如氧化铪。因此，可以構建更有效的控制閘，不再需要從三面包圍浮柵。取而代之的是，單元的控制柵極之間的空間被填滿氣泡，以減少干擾。不過，這些措施對於解決IPD的問題來說，並不能夠徹底地解決問題，只能夠起到一定的延緩作用。
突破限制的3D閃存
2D閃存的限制問題可以用不同的方法來解決，例如可以改變以往閃存單元僅有一層彼此相鄰的結構，改用可以堆疊起來的3D結構，疊加的層數量越多，則存儲密度越高。三星2013年首次提出了3D閃存的概念，第一代V-Nand包含24層閃存單元，從而達到了當前最佳的2D閃存相同的存儲密度。雖然疊加的單元需要直徑為80nm的空間，但是大型的堆疊結構仍然有其優勢。V-Nand閃存可以在低電壓下進行操作，並且支持35 000次的寫入或刪除周期，是MLC單元的3倍多。而且根據三星的介紹，寫入速度也將成倍地提升。
三星有著一個遠大的生產計劃，預期2018年V-Nand芯片將從128GB增加到1TB。實際上這只需要疊加更多的層就可以了，192層即可達到1TB。在這個數據密度的基礎上，4TB到8TB之間的固態硬盤成本將會是個人用戶可以負擔得起的。業內人士認為，3D閃存只要堆疊超過40層，每GB容量的價格就會比2D閃存便宜。
從技術上講，東芝的位成本可擴展（Bit Cost Scalable，簡稱BICS）閃存與V-Nand閃存幾乎沒有任何不同。BICS采用由氮化硅制成的存儲層，由兩層氧化物包圍存儲層中的電荷。單元相鄰的控制柵可以從存儲層除去電荷，也可以寫入。V-NAND閃存的工作原理相同，但存儲層采用其他的材料，其存儲層不是由硅系的氧化物包裹，而是由鋁制成的高介電值材料包裹。根據三星的介紹，控制柵則采用氮化钽，可以確保單元的刪除速度更迅速，新材料也保證了充電電平，從而更大地提高了使用壽命。
目前，東芝正處在重建舊芯片的生產設備制造BICS的過程中，樣品最早可以於2015年3月推出。雖然目前BICS原型只計劃堆疊16層，但可以預計，正式銷售的芯片將超過30層才足以與V-NAND閃存競爭。IHS公司市場專家認為，2016年3D閃存將隨處可見，數據密度將可以與機械硬盤一較高下，而如果價格再松動一些，那麼機械硬盤很可能很快會成為歷史。
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